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Stand der Technik
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Die
Erfindung geht aus von bekannten Sensorelementen zur Erfassung mindestens
einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum. Bei dieser Eigenschaft
kann es sich beispielsweise um eine physikalisch und/oder chemisch
nachweisbare Eigenschaft handeln. Insbesondere kann es sich bei dieser
Eigenschaft um einen Anteil, das heißt beispielsweise einen
Partialdruck oder einen Prozentsatz mindestens einer Gaskomponente
handeln. Bei dieser mindestens einen Gaskomponente kann es sich
beispielsweise um Sauerstoff und/oder um Stickoxide (NOx) handeln.
Derartige Sensorelemente sind aus dem Stand der Technik grundsätzlich
bekannt und beispielsweise in Robert Bosch GmbH: Sensoren
im Kraftfahrzeug, 2. Ausgabe, April 2007, Seiten 154 bis 159 beschrieben.
Die dort dargestellten Sensoraufbauten können grundsätzlich
auch im Rahmen der vorliegenden Erfindung erfindungsgemäß modifiziert
werden.
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Derartigen
Sensorelementen, insbesondere Sauerstoff-Abgassonden (so genannten
Lambdasonden) oder NOx-Abgassonden, insbesondere rohemissionstauglichen
elektrochemischen NOx-Abgassonden für Ottomotor- oder Dieselmotor-Anwendungen,
ist es bislang gemeinsam, dass diese mindestens ein keramisches
Sensorelement beinhalten, welches als Laminat aus Festelektrolytfolien,
wie beispielsweise Yttrium-stabilisiertem Zirkondioxid (YSZ) gefertigt
ist. Diese Sonden arbeiten üblicherweise nach einem elektrochemischen
Funktionsprinzip. Beispielsweise wird zum Nachweis von NOx der Anteil
des NOx am Abgas über eine oder mehrere Pumpzellen (Pumpkaskade)
schrittweise angereichert, und in einer letzten Kammer bestimmt,
beispielsweise amperometrisch. Derartige Sensoren werden auch als
Doppel- oder Mehrkammersensoren oder als Pumpzellenkaskadensensoren
bezeichnet. Dieses Funktionsprinzip erfordert in der Regel mehrere
Nernst- und/oder Pumpzellen, die in den Gesamtaufbau des Sensorelements
integriert sind.
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Eine
Problematik an derartigen Aufbauten, insbesondere mehrzelligen Aufbauten,
besteht jedoch in der Regel darin, dass in bekannten Sensorelementen
der Festelektrolyt neben der Funktion als Elektrolyt auch die Funktion
eines Trägermaterials übernimmt. Hieraus ergeben
sich jedoch hohe Anforderungen hinsichtlich der mechanischen Stabilität und
der Thermoschockfestigkeit dieses Materials. Da die mechanische
Festigkeit und die Belastbarkeit üblicher Festelektrolytmaterialien
jedoch üblicherweise mit steigender Dotierung und somit
mit steigender Ionenleitfähigkeit abnimmt (ein Festigkeitsoptimum entspricht
in der Regel nicht einem Leitfähigkeitsoptimum), ergibt
sich aus diesen Bedingungen ein Zielkonflikt. Eine weitere, mit
der oben beschriebenen Problematik verbundene technische Herausforderung
ist die Beseitigung von Leckströmen. Da die Dotierung beispielsweise
aufgrund der benötigten mechanischen Stabilität
nicht beliebig gesteigert werden kann und da dennoch für
den Betrieb der Sensorelemente eine vorgegebene Ionenleitfähigkeit
erreicht werden muss, werden die Sensorelemente in vielen Fällen
bei erhöhten Temperaturen betrieben. Zu diesem Zweck werden
beispielsweise ein oder mehrere Heizelemente verwendet. Dabei können
jedoch unter bestimmten Bedingungen, insbesondere bei höheren Temperaturen,
aufgrund der ionischen Leitfähigkeit störende
Leckströme in dem Sensorelement auftreten, welche sich
beispielsweise zwischen den Elektroden des Sensorelements und dem
Heizelement ausbilden. Aus diesem Grund werden in der Regel sowohl
das Heizelement als auch die Elektroden in den für den
Betrieb des Sensorelements nicht erforderlichen Bereichen aufwändig
isoliert. Bei Verwendung von Schichtaufbauten werden in der Regel auch
Durchkontaktierungen zu tieferen Schichtebenen aufwändig
auf diese Weise isoliert. Trotz dieses Aufwands, welcher für
die Herstellung von Isolationsschichten erforderlich ist, tritt
bei der Herstellung der Sensorelemente in der Regel ein Ausschuss
auf, welcher durch hohe Leckströme bedingt ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Es
werden daher ein Sensorelement zur Bestimmung einer Eigenschaft
eines Gases, eine das Sensorelement umfassende Sensoranordnung sowie
eine Verwendung des Sensorelements vorgeschlagen, welche die Nachteile
bekannter Sensorelemente, Sensoranordnungen und Verfahren zumindest
teilweise vermeiden. Das Sensorelement dient zur Bestimmung mindestens
einer Eigenschaft eines Gases in einem Messgasraum, insbesondere
zum Nachweis einer Gaskomponente in einem Gasgemisch. Beispielsweise
kann es sich bei dem Gasgemisch um ein Abgas einer Brenn kraftmaschine
handeln, insbesondere eines Dieselmotors oder eines Ottomotors.
Auch andere Ausgestaltungen des Messgasraums sind jedoch grundsätzlich
möglich, so dass der Messgasraum auch beispielsweise ein Raum
eines weiteren oder größeren Sensorelements sein
kann. Die mindestens eine Eigenschaft des Gases kann beispielsweise,
wie oben dargestellt, einen Anteil, also beispielsweise einen Prozentsatz und/oder
einen Partialdruck, einer Gaskomponente sein oder umfassen. Bei
dieser Gaskomponente kann es sich insbesondere um Sauerstoff und/oder um
Stickoxide (NOx) handeln. Dementsprechend kann das Sensorelement
beispielsweise als elektrochemischer NOx-Abgassensor ausgestaltet
sein, insbesondere als rohemissionstauglicher elektrochemischer
NOx-Abgassensor. Das Sensorelement kann insbesondere, wie unten
beschrieben wird, monolithisch ausgestaltet sein, also als monolithischer, elektrochemischer
NOx- und/oder O2-Abgassensor.
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Das
Sensorelement umfasst mindestens eine erste Zelle und mindestens
eine zweite Zelle. Die erste Zelle umfasst mindestens eine erste
Elektrode, mindestens eine zweite Elektrode und mindestens einen
die erste Elektrode und die zweite Elektrode verbindenden ersten
Festelektrolyten. Die zweite Zelle umfasst mindestens eine dritte
Elektrode, mindestens eine vierte Elektrode und mindestens einen die
dritte Elektrode und die vierte Elektrode verbindenden zweiten Festelektrolyten.
Die zweite Elektrode ist dabei in mindestens einem ersten Elektrodenhohlraum
angeordnet, und die vierte Elektrode in mindestens einem zweiten
Elektrodenhohlraum. Der erste Elektrodenhohlraum ist dabei mit Gas
aus dem Messgasraum beaufschlagbar, und der zweite Elektrodenhohlraum
ist mit Gas aus dem ersten Elektrodenhohlraum baufschlagbar. Der
erste Festelektrolyt und der zweite Festelektrolyt weisen jeweils
mindestens ein Festelektrolytmaterial auf, wobei das Festelektrolytmaterial
in mindestens ein Trägerelement eingebettet ist, welches
eine geringere ionische Leitfähigkeit aufweist als das
Festelektrolytmaterial. Die Festelektrolytmaterialien können
getrennt oder auch ganz oder teilweise identisch sein.
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Die
mindestens eine erste Zelle, wobei auch mehrere erste Zellen vorgesehen
sein können (beispielsweise im Rahmen einer Pumpkaskade,
welche zwei erste Zellen, drei erste Zellen oder mehr erste Zellen
umfasst) kann beispielsweise derart ausgestaltet sein, dass die
erste Elektrode direkt oder indirekt mit dem Messgasraum in Verbindung
steht. Beispielsweise kann die erste Elektrode über mindestens
eine gasdurchlässige Schicht mit dem Messgasraum in Verbindung
stehen, so dass Gas von der ersten Elektrode an den Messgasraum überführt
werden kann oder umgekehrt. Alternativ kann die erste Elektrode
jedoch auch in einem von dem Messgasraum und den Elektrodenhohlräumen
getrennten weiteren Raum angeordnet sein, so dass beispielsweise
eine Abfuhr von an der ersten Elektrode gebildetem bzw. ausgebautem
Gas in den weiteren Raum möglich ist. Die Elektroden können
insbesondere ein Elektrodenmaterial umfassen, beispielsweise mindestens
ein Edelmetall, welche mit dem Festelektrolytmaterial in Verbindung
gebracht wird. Insbesondere kann es sich dabei um Platin und/oder
Palladium und/oder Rhodium handeln. Insbesondere kann es sich bei dem
Elektrodenmaterial um mindestens eine Edelmetall-Keramik-Verbindung
handeln, beispielsweise ein so genanntes Cermet. Der erste Elektrodenhohlraum
kann insbesondere in einer tiefer liegenden Schichtebene eines Schichtaufbaus
des Sensorelements angeordnet sein und ist von dem Messgasraum getrennt
ausgebildet. Zur Beaufschlagung des ersten Elektrodenhohlraums mit
Gas aus dem Messgasraum kann beispielsweise mindestens eine Öffnung
und/oder mindestens eine Zutrittsbohrung und/oder eine andere Art
von Verbindung vorgesehen sein. Die Verbindung zwischen dem Messgasraum
und dem ersten Elektrodenhohlraum kann beispielsweise mindestens
einen eine Strömung und/oder eine Diffusion des Gases und/oder
einer Komponente des Gases verminderndes Element umfassen, beispielsweise
mindestens eine Diffusionsbarriere und/oder mindestens eine Strömungsbarriere.
Beispielsweise kann die mindestens eine Diffusionsbarriere mindestens
ein poröses Material umfassen, beispielsweise poröses
Al2O3.
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Der
erste Elektrodenhohlraum und der zweite Elektrodenhohlraum, wobei
auch mehrere derartiger Elektrodenhohlräume vorgesehen
sein können, sind ebenfalls derart getrennt ausgebildet,
dass ein Gasaustausch zwischen dem ersten Elektrodenhohlraum und
dem zweiten Elektrodenhohlraum oder umgekehrt zumindest begrenzt
erfolgt. Insbesondere können diese durch mindestens ein
Begrenzungselement voneinander getrennt sein, welches einen Strom
und/oder eine Diffusion des Gases oder mindestens einer Gaskomponente
des Gases zumindest teilweise begrenzt, insbesondere durch eine
Diffusionsbarriere und/oder mindestens eine Strömungsbarriere.
Grundsätzlich kann es sich bei dem ersten Elektrodenhohlraum
und dem zweiten Elektrodenhohlraum auch um zwei oder mehr getrennte Teil-Hohlräume
ein und desselben Hohlraums handeln, welche durch das mindestens
eine Begrenzungselement voneinander getrennt sind.
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Die
dritte Elektrode kann direkt oder indirekt wiederum mit dem Messgasraum
in Verbindung stehen, beispielsweise wiederum durch mindestens eine
gasdurchlässige Schutzschicht und/oder durch mindestens
eine Öffnung. Auf diese Weise kann beispielsweise ein im
Wesentlichen ungehinderter Gasaustausch zwischen der dritten Elektrode
und dem Messgasraum erfolgen. Alternativ kann jedoch, analog zur
ersten Elektrode, die dritte Elektrode wiederum in einem weiteren
Raum angeordnet sein; welcher von dem Messgasraum getrennt ausgebildet
ist, so dass beispielsweise an der dritten Elektrode ausgebautes
Gas in den weiteren Raum entweichen kann. Die dritte Elektrode und
die erste Elektrode sind vorzugsweise getrennt ausgebildet, wobei
jedoch grundsätzlich auch eine zumindest teilweise gemeinsame
Ausbildung möglich ist.
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Der
erste Festelektrolyt und der zweite Festelektrolyt sind beispielsweise
als getrennte Festelektrolyten ausgebildet. Dabei kann auch jede
der genannten Zellen mehrere derartiger Festelektrolyten umfassen,
beispielsweise in Form von mehreren Festelektrolyt-Feldern (Patches).
Alternativ können sich die erste Zelle und die zweite Zelle
auch mindestens einen gemeinsamen Festelektrolyten teilen, so dass
der erste Festelektrolyt und der zweite Festelektrolyt auch zumindest
teilweise bauteilidentisch ausgestaltet sein können. Bevorzugt
ist jedoch eine getrennte Ausgestaltung des ersten Festelektrolyten und
des zweiten Festelektrolyten.
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Zusätzlich
zu der ersten Zelle und der zweiten Zelle, welche miteinander in
Verbindung stehen, können vorzugsweise auch weitere Zellen
vorgesehen sein, gegebenenfalls auch in Verbindung mit weiteren
Hohlräumen, welche wiederum miteinander in Verbindung stehen
können. Beispielsweise kann die erste Zelle, wie unten
noch näher ausgeführt wird, eine Kaskade von Teil-Zellen
umfassen, welche gemeinsam als erste Zelle wirken und in welcher
beispielsweise eine Aufkonzentration einer Gaskomponente erfolgen
kann. Analog können auch mehrere zweite Zellen vorgesehen
sein.
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Das
Trägerelement kann ausgestaltet sein, um eine optimale
Isolationswirkung des Trägerelements zu erreichen. Gleichzeitig
kann dieses Trägerelement für eine optimale Festigkeit
ausgestaltet sein, insbesondere mit einer höheren mechanischen Festigkeit
als das Festelektrolytmaterial. Auf diese Weise eine getrennte Optimierung
der Stabilität des Sensorelements und der elektrolytischen
Eigenschaften möglich. Insbesondere kann das Trägerelement
mindestens eine Trägerfolie umfassen und/oder ausgestaltet
sein, um die erste Zelle und/oder die zweite Zelle mechanisch zu
stabilisieren. Auf diese Weise ist eine Optimierung der Festigkeit
und der Isolationswirkung möglich.
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Das
Trägerelement kann insbesondere mindestens ein Trägermaterial
aufweisen, insbesondere aus mindestens einem Trägermaterial
bestehen, wobei das Trägermaterial mindestens ein Isolatormaterial
umfasst. Dieses Isolatormaterial kann insbesondere mindestens eine
der folgenden Materialien aufweisen oder aus einem der folgenden
Materialien bestehen: ein keramisches Isolatormaterial, insbesondere
ein Aluminiumoxid, insbesondere Al2O3; ein keramisches Oxid, insbesondere ein
Aluminiumoxid; ein keramisches Oxid, insbesondere ein Aluminiumoxid,
mit einem Fremdphasenanteil von weniger als 5%; ein keramisches
Oxid, insbesondere ein Aluminiumoxid, mit einem Glasphasenanteil
von bis zu 50%.
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Das
Sensorelement kann insbesondere mindestens einen Schichtaufbau aufweisen,
also einen Aufbau, bei welchem mehrere Schichtebenen, beispielsweise
mehrere Folien, übereinander angeordnet sind. Dieser Schichtaufbau
kann beispielsweise durch ein Laminierverfahren, gegebenenfalls
gefolgt von einem oder mehreren Sinterschritten hergestellt werden.
Insbesondere kann der Schichtaufbau mindestens zwei Trägerelemente
umfassen, vorzugsweise drei oder mehr Trägerelemente, insbesondere in
Form von keramischen Folien, beispielsweise in Form von keramischen
Isolatorfolien. Diese können beispielsweise durch ein Laminierverfahren
miteinander verbunden werden und insbesondere anschließend
mindestens einem Sinterschritt unterzogen werden.
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Das
Festelektrolytmaterial, aus welchem der erste Festelektrolyt und
der zweite Festelektrolyt gebildet werden, kann insbesondere mindestens
ein Metalloxid aufweisen, insbesondere mindestens ein Zirkonoxid,
insbesondere Zirkondioxid (ZrO2). Das Metalloxid
kann insbesondere mit einem oder mehreren der folgenden Dotierstoffe
stabilisiert und/oder dotiert sein: Scandium, Yttrium, Cer, Kalzium.
Insbesondere kann es sich bei dem Festelektrolytmaterial um Yttrium-
und/oder Scandium- und/oder Kalzium- und/oder Cer-dotiertes Zirkondioxid
handeln.
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Für
das Trägerelement wurde oben lediglich gefordert, dass
dieses eine geringere Ionenleitfähigkeit aufweist als das
Festelektrolytmaterial. Weisen das Trägerelement und/oder
das Festelektrolytmaterial auch eine elektrische Leitfähigkeit
auf, was vorzugsweise nicht der Fall ist, so sollte weiterhin die elektrische
Leitfähigkeit des Trägerelements geringer ausgestaltet
sein als die elektrische Leitfähigkeit des Festelektrolytmaterials.
Vorzugsweise ist die Ionenleitfähigkeit des Trägerelements
um mindestens einen Faktor 10, vorzugsweise um mindestens einen Faktor
100 oder sogar um min destens einen Faktor 1000 geringer als die
Ionenleitfähigkeit des Festelektrolytmaterials. Diese Verhältnisse
können vorzugsweise auch, falls gegeben, für eine
elektrische Leitfähigkeit gelten. Alternativ zu einer vollständig
isolierenden Eigenschaft kann das Trägerelement also auch
eine zumindest geringfügige ionisch leitfähige Eigenschaft
und/oder elektrisch leitfähige Eigenschaft aufweisen. So
kann auch das Trägerelement beispielsweise mindestens ein
Festelektrolytmaterial umfassen, beispielsweise mindestens ein Metalloxid, vorzugsweise
dasselbe Metalloxid, welches auch für das Festelektrolytmaterial
der Zellen verwendet wird. In diesem Fall kann das Metalloxid beispielsweise
mit einer geringeren Dotierung ausgestaltet sein als das Festelektrolytmaterial
der ersten Zelle und/oder der zweiten Zelle. Auf diese Weise ist
aufgrund der Verwendung desselben Matrixmaterials in Form des Metalloxids
eine gute Prozesskompatibilität gegeben, so dass beispielsweise
das Trägerelement und das Festelektrolytmaterial der Zellen ähnliche
Ausdehnungseigenschaften aufweisen und/oder ähnliche thermomechanische
Eigenschaften. Dabei können das Festelektrolytmaterial
der ersten Zelle und der zweiten Zelle identisch oder auch unterschiedlich
ausgestaltet sein. Beispielsweise kann das Festelektrolytmaterial
des Trägerelements ein mit Zirkondioxid versetzes Aluminiumoxid
aufweisen.
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Das
Trägerelement kann insbesondere ganz oder teilweise als
Rahmen ausgestaltet sein, welcher die mindestens eine erste Zelle
und/oder die mindestens eine zweite Zelle zumindest teilweise umschließt.
Beispielsweise kann dieser Rahmen eine oder mehrere Folien des Trägerelements
umfassen, in welche mindestens eine vollständig geschlossene oder
zumindest teilweise geschlossene Öffnung eingebracht ist.
Beispielsweise kann das Trägerelement mindestens eine Folie
aufweisen, in welche die mindestens eine Öffnung vor dem
Laminieren und/oder vor dem Sintern eines Schichtaufbaus eingestanzt, eingeschnitten
oder auf andere Weise eingebracht ist, beispielsweise durch ein
mechanisches Verfahren und/oder ein Laserverfahren. Auf diese Weise kann
beispielsweise eine Inlay-Technik realisiert werden, bei welchem
in das Trägerelement bzw. die mindestens eine Öffnung
des Trägerelements der erste Festelektrolyt und/oder der
zweite Festelektrolyt und/oder gegebenenfalls weitere Festelektrolyten
in Form von Einlagen eingesetzt werden können. Beispielsweise
können diese Einlagen vor dem Sintern eine Dicke zwischen
150 und 750 μm aufweisen und nach dem Sintern eine Dicke
zwischen 50 und 250 μm. Auch andere Dicken sind grundsätzlich
möglich. Dabei können der erste Festelektrolyt
und/oder der zweite Festelektrolyt jeweils genau eine Öffnung
des Rahmens umfassen, oder es können für die Erzeugung
des ersten Festelektrolyten und/oder des zweiten Festelektrolyten
auch mehrere Öffnungen vorgesehen sein. Beispielsweise
kann die erste Zelle eine Mehrzahl, also mindestens zwei, drei oder
mehrere, Öffnungen in dem Trägerelement umfassen,
welche jeweils ganz oder teilweise mit dem ersten Festelektrolyten
ausgefüllt sind, beispielsweise in Form eines Wabenmusters
und/oder in Form mehrerer kreisförmiger oder polygonaler
Einlagen. Auf analoge Weise können die zweite Zelle und/oder
gegebenenfalls weitere in dem Sensorelement umfasste Zellen ausgestaltet
sein.
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Durch
die genannte Inlay-Technologie, bei welcher das Trägerelement
vorzugsweise mindestens eine Öffnung aufweist, beispielsweise
mindestens eine Öffnung pro Zelle, in welche das Festelektrolytmaterial
des ersten Festelektrolyten und/oder des zweiten Festelektrolyten
und/oder gegebenenfalls weiterer Festelektrolyten weiterer Zellen
eingebracht ist, insbesondere in Form mindestens einer Einlage,
bietet sich die Möglichkeit einer getrennten Optimierung
des Festelektrolytmaterials der Festelektrolyten und des Trägerelements.
So kann das Material des Trägerelements bezüglich
der mechanischen Stabilität optimiert werden und/oder bezüglich der
Isolationseigenschaften. Das Festelektrolytmaterial kann hingegen
hinsichtlich der elektrischen und/oder elektrolytischen Eigenschaften
optimiert werden. So kann das Festelektrolytmaterial des ersten
und/oder des zweiten Festelektrolyten beispielsweise mit einer höheren
Dotierung versehen werden als dies bei üblichen Sensorelementen
der Fall ist, so dass gegebenenfalls eine höhere Ionenleitfähigkeit realisiert
werden kann. Aufgrund der Tatsache, dass das Festelektrolytmaterial
durch das umgebende Trägerelement mechanisch stabilisiert
werden kann, kann die in der Regel mit einer höheren Dotierung verbundene
Verringerung an mechanischer Festigkeit in Kauf genommen werden.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen betreffen die Ausgestaltung der ersten
Zelle und/oder der zweiten Zelle. So können die in den
Elektrodenhohlräumen angeordneten Elektroden der ersten
Zelle und der zweiten Zelle insbesondere unterschiedliche Eigenschaften
aufweisen, so dass diese beispielsweise unterschiedlich auf das
Gas und/oder mit einzelnen Komponenten des Gases reagieren. Beispielsweise
können die zweite Elektrode und die vierte Elektrode unterschiedliche
katalytische Eigenschaften aufweisen. So kann beispielsweise die zweite
Elektrode derart ausgestaltet sein, dass diese eine geringere katalytische
Aktivität aufweist als die vierte Elektrode, beispielsweise
eine geringere katalytische Aktivität für eine
Zersetzung von Stickoxiden. Beispielsweise kann zu diesem Zweck
die zweite Elektrode zur Verringerung ihrer katalytischen Eigenschaften „vergiftet” sein,
indem dieser beispielsweise mindestens ein Katalysatorgift beigemischt
oder auf andere Weise beigegeben wird, insbesondere um ei ne Stickoxid-Zersetzung
zu verhindern. Beispielsweise kann die zweite Elektrode mit Gold
vergiftet sein, beispielsweise in Form einer Gold-vergifteten Platin-Elektrode
oder Platin-Cermet-Elektrode, um eine Stickoxid-Zersetzung zu verhindern.
Auf diese Weise kann beispielsweise in dem ersten Elektrodenhohlraum
durch Ausgestaltung der mindestens einen ersten Zelle als Pumpzelle
ein zumindest teilweiser Abtransport des in dem ersten Elektrodenhohlraum vorhandenen
Sauerstoffs erfolgen, ohne dass eine Stickoxid-Zersetzung stattfindet.
Auf diese Weise können Stickoxide in dem ersten Elektrodenhohlraum
aufkonzentriert werden und beispielsweise über das Begrenzungselement
in den zweiten Elektrodenhohlraum gelangen. In dem zweiten Elektrodenhohlraum,
in welchem mindestens eine vierte Elektrode angeordnet ist, kann
dann beispielsweise eine Zersetzung der Stickoxide unter Bildung
von Sauerstoff, stattfinden, beispielsweise indem NOx in Sauerstoff
und Stickstoff zersetzt wird oder in Stickoxide mit geringeren Oxidationsstufen.
Der dann in der zweiten Zelle gemessene Pumpstrom kann dann beispielsweise
als Maß für die Stickoxidkonzentration in dem
zweiten Elektrodenhohlraum dienen.
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Wie
oben dargestellt, kann die mindestens eine erste Zelle auch mehrere
Teilzellen umfassen, beispielsweise zwei, drei oder mehr Teilzellen.
Insbesondere können diese Teilzellen unabhängig
voneinander betreibbar sein, wobei diese sich jedoch auch beispielsweise
mindestens ein Element teilen können, beispielsweise mindestens
eine Elektrode und/oder den mindestens einen Festelektrolyten. Mindestens
ein Element dieser Teilzellen sollte jedoch jeweils nur einer Teilzelle
allein zugeordnet werden können. Auf diese Weise lässt
sich beispielsweise durch Verwendung mehrerer Teilzellen eine Kaskade
von Pumpzellen realisieren, mittels derer beispielsweise nach und
nach eine Aufkonzentration bestimmter Gaskomponenten, beispielsweise
durch Abtransport von Sauerstoff aus dem ersten Elektrodenhohlraum,
realisiert werden kann. Die Teilzellen können dabei auch
in separaten Teilräumen des ersten Elektrodenhohlraums
angeordnet sein, so dass der erste Elektrodenhohlraum beispielsweise
wiederum in mehrere Teilräume unterteilt werden kann, welche
beispielsweise wiederum durch ein oder mehrere Begrenzungselemente
voneinander getrennt sein können, beispielsweise ein oder
mehrere der oben beschriebenen Begrenzungselemente. Auf diese Weise
kann nach und nach ein Strom des aufkonzentrierten Gases von einer
Teilzelle in die nächste Teilzelle erfolgen und/oder eine
Diffusion von einer Teilzelle in die nächste Teilzelle.
Nach Durchlaufen dieser Teilzellen kann dann ein Einströmen
und/oder Eindiffundieren in den mindestens einen zweiten Elektrodenhohlraum
erfolgen.
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Das
Sensorelement kann weiterhin mindestens eine Kontrollzelle umfassen.
Während die erste Zelle und/oder die zweite Zelle vorzugsweise
in einer Sensoranordnung oder einem bestimmungsgemäßen
Verfahren zum Betrieb des Sensorelements als Pumpzellen betrieben
werden, wobei jedoch ganz oder teilweise auch eine Verwendung als
Nernst-Zelle möglich ist, wird die Kontrollzelle vorzugsweise
als Nernst-Zelle betrieben. Die Kontrollzelle weist mindestens eine
fünfte Elektrode und mindestens eine sechste Elektrode
sowie mindestens einen die fünfte Elektrode und die sechste
Elektrode verbindenden dritten Festelektrolyten mit mindestens einem
Festelektrolytmaterial auf. Bezüglich des Festelektrolytmaterials
der Kontrollzelle kann auf das oben bezüglich der Festelektrolytmaterialien
der ersten und der zweiten Zelle Gesagte verwiesen werden. Der dritte
Festelektrolyt kann auch ganz oder teilweise identisch mit dem ersten
Festelektrolyten und/oder dem zweiten Festelektrolyten ausgestaltet
sein. Die Kontrollzelle ist dabei derart ausgestaltet, dass die
fünfte Elektrode in dem ersten Elektrodenhohlraum angeordnet
ist. Sind mehrere erste Elektrodenhohlräume vorgesehen,
so kann die fünfte Elektrode in einem, mehreren oder allen
dieser ersten Elektrodenhohlräume angeordnet sein. Auch
eine Verwendung mehrerer fünfter Elektroden ist denkbar.
Die sechste Elektrode ist hingegen in mindestens einem Referenzgasraum
angeordnet, also einem Raum, welcher vorzugsweise von dem Messgasraum
getrennt ist und in welchem eine bekannte Gasatmosphäre
vorliegt oder eingestellt werden kann. Beispielsweise kann es sich
bei dem Referenzgasraum um einen Raum handeln, in welchem eine bekannte
Sauerstoffkonzentration, insbesondere eine bekannte Luftzahl, vorliegt.
Beispielsweise kann es sich bei dem Referenzgasraum um einen mit
Umgebungsluft gefüllten Raum handeln. Der Referenzgasraum
kann auch ganz oder teilweise als Referenzluftkanal ausgestaltet
sein, beispielsweise als Referenzluftkanal, welcher mit einer Umgebung
eines Verbrennungsmotors verbunden ist. Alternativ kann der Referenzgasraum
jedoch auch ganz oder teilweise mit dem Messgasraum zusammengefasst
werden und/oder mit dem Messgasraum verbunden werden.
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Auch
das Festelektrolytmaterial des dritten Festelektrolyten ist vorzugsweise
in das mindestens eine Trägerelement eingebettet. Dabei
kann bezüglich möglicher Ausgestaltungen dieser
Einbettung auf die obige Beschreibung des ersten Festelektrolyten und/oder
des zweiten Festelektrolyten verwiesen werden. Die Einbettung kann
in dasselbe Trägerelement erfolgen, in welches auch der
erste Festelektrolyt und/oder der zweite Festelektrolyt eingebettet
ist, oder es kann eine Einbettung in ein anderes Trägerelement
erfolgen. Auch der erste Festelektrolyt und der zweite Festelektrolyt
können in dasselbe Trägerelement oder in verschiedene
Trägerelemente eingebettet sein.
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Neben
dem Sensorelement in einer oder mehreren der oben beschriebenen
Ausführungsformen wird weiterhin eine Sensoranordnung vorgeschlagen,
welche mindestens ein Sensorelement in einer oder mehreren der oben
beschriebenen Ausführungsarten umfasst. Die Sensoranordnung
ist weiterhin eingerichtet, um die mindestens eine erste Zelle und
die mindestens eine zweite Zelle als Pumpkaskade zu betreiben, insbesondere
zur Anreichung und zum Nachweis mindestens einer Gaskomponente,
insbesondere von Stickoxiden. Zu diesem Zweck kann die Sensoranordnung
beispielsweise mindestens eine Steuerung umfassen, beispielsweise
mit einer oder mehreren elektronischen Komponenten und/oder mit
einer oder mehreren Datenverarbeitungskomponenten, mittels derer
das beschriebene Kaskadenprinzip realisierbar ist. Auf diese Weise kann
beispielsweise in der mindestens einen ersten Zelle eine Aufkonzentration
der nachzuweisenden Gaskomponente erfolgen, welche dann beispielsweise
in der zweiten Zelle nachgewiesen werden kann. Die optionale dritte
Zelle kann beispielsweise zur Kontrolle mindestens einer Eigenschaft
in dem ersten Elektrodenhohlraum eingesetzt werden, beispielsweise
zum Nachweis und/oder zur Steuerung und/oder zur Regelung eines
Sauerstoffanteils (beispielsweise eines Prozentsatzes und/oder eines
Partialdrucks). Die von dieser mindestens einen dritten Zelle erfasste
Messgröße kann beispielsweise zur Regelung und/oder
Steuerung von Pumpströmen der ersten Zelle und/oder der
zweiten Zelle genutzt werden. Ein Nernst-Signal und/oder ein Pumpstrom
der zweiten Zelle kann als Ausgangssignal verwendet werden, oder
ein Ausgangssignal kann aus diesem Pumpstrom und/oder diesem Nernst-Signal
abgeleitet werden. Dieses Ausgangssignal kann beispielsweise repräsentativ
für den Anteil der mindestens einen nachzuweisenden Gaskomponente
sein, beispielsweise für den Anteil an Stickoxiden im Gas
im Messgasraum.
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Weiterhin
wird eine Verwendung eines Sensorelements in einer oder mehreren
der oben beschriebenen Ausführungsarten vorgeschlagen.
Gemäß dieser vorgeschlagenen Verwendung wird das Sensorelement
zu einem oder mehreren der folgenden Zwecke verwendet: zum Nachweis
von Stickoxiden in einem Abgas; als Sauerstoff-Breitbandsonde. Unter
einer Breitbandsonde ist dabei allgemein ein Sensorelement zu verstehen,
welches über einen größeren Luftzahlbereich
und/oder Konzentrationsbereich einer nachzuweisenden Gaskomponente hinweg
einen Anteil dieser Gaskomponente genau erfassen kann. Für
mögliche Ausgestaltungen kann auf den oben zitierten Stand
der Technik verwiesen werden.
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Mittels
der vorgeschlagenen Erfindung lassen sich die oben dargestellten
Nachteile bekannter Sensorelemente und/oder Sensoranordnungen zumindest
weitgehend vermeiden. So kann beispielsweise verhindert werden,
dass das Trägerelement, welches als Sensorelementsubstrat
dienen kann, ebenfalls aus dem keramischen Festelektrolyten, beispielsweise
Yttrium-stabilisiertem Zirkondioxid (YSZ) aufgebaut werden muss.
Auf diese Weise lässt sich der oben genannte Kompromiss
gemäß dem Stand der Technik zwischen der thermomechanischen
Festigkeit und den Funktionseigenschaften vermeiden oder optimal
realisieren. Weiterhin lässt sich verhindern, dass das
Trägerelement aus dem keramischen Festelektrolyten aufgebaut
werden muss, so dass der hohe Aufwand der Isolation einzelner Heizer-,
Elektroden- und/oder Zuleitungsbereiche, beispielsweise durch siebgedruckte
Isolationsschichten, entfallen kann. Auf diese Weise lassen sich
einfachere Sensorelement-Aufbauten realisieren. Die dennoch im Stand
der Technik zu verzeichnenden Einschränkungen hinsichtlich
der Form und der Genauigkeit müssen nicht mehr in Kauf
genommen werden, da sich durch eine Optimierung der Isolationseigenschaften
des Trägerelements Einkopplungen und Leckströme
und die daraus resultierenden Signalveränderungen optimal
vermeiden lassen. Auf diese Weise lassen sich insbesondere die Probleme
bei kleinen amperometrischen Messsignalen, wie sie häufig
insbesondere bei NOx-Abgassonden auftreten, vermeiden, so dass hohe
Genauigkeiten und präzise Messsignale realisiert werden
können.
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Insbesondere
mit der oben beschriebenen Inlay-Technik, beispielsweise mittels
einer Einstanztechnik, lassen sich Trägerelemente realisieren,
beispielsweise in Form von Trägerfolien, die in ihren Eigenschaften
hauptsächlich bezüglich ihrer mechanischen und/oder
thermischen (zum Beispiel thermoschock-) und/oder ihrer hydrothermalen
Stabilitätseigenschaften optimiert sein können.
Diese Trägerelemente können mit speziell angepassten
Funktionseinlagen in Form der Festelektrolyten ausgestattet werden.
Diese Technologie ermöglicht insbesondere einen monolithischen
Aufbau von Sensorkeramiken, also einen Aufbau, bei welchem beispielsweise
im Wesentlichen ein und dasselbe Trägerelement, welches
auch aus mehreren zusammenlaminierten Lagen zusammengesetzt sein
kann, zur Realisierung der äußeren Form und/oder
Stabilität verwendet werden kann. Lediglich Funktionsbereiche,
wie beispielsweise die Bereiche der Zellen, können mit
entsprechenden Funktionseinlagen ausgestattet werden. Auf diese
Weise lässt sich ein monolithischer Aufbau von Sensorkeramiken
realisieren. Insbesondere lassen sich Sensorelemente realisieren,
die aufgrund ihrer Funktion eine oder mehrere integrierte Nernst-Zellen
und/oder eine oder mehrere integrierte Pumpzellen benötigen.
Das gesamte Sensorelement kann beispielsweise aus mechanisch fester
und elektrisch hochisolierender Al2O3-Keramik hergestellt sein, wobei nur kleine,
begrenzte Bereiche, insbesondere so genannte Fenster, im Elektrodenbereich und/oder
im Bereich der Zellen aus einem Festelektrolytmaterial gestaltet
werden können, um die mindestens eine Nernst-Zelle und/oder
die mindestens eine Pumpzelle zu realisieren. Hierbei kann erfindungsgemäß als
Festelektrolytmaterial ein funktionsoptimierter Festionenleiter
gewählt werden. Beispielsweise kann die Niedertemperatur-Ionenleitfähigkeit
zum Beispiel durch Verwendung von Scandium-dotiertem ZrO2 optimiert werden, ohne dass eine schwächere
mechanische Festigkeit oder ein höherer Materialpreis zu
verzeichnen wäre. Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist
die Vereinfachung der elektrischen Isolation zwischen den Elektrodenbereichen, den
Zuleitungen und gegebenenfalls mindestens einem Heizelement. Nach
dem Stand der Technik können beispielsweise auf einem leitenden
Zirkondioxid-Substrat durch gedruckte Isolationsschichten Elektroden
und Zuleitungen voneinander isoliert werden. Diese Lösung
ist aufwändig und fehleranfällig. Durch die Verwendung
eines Trägerelements in Form eines hochisolierenden Substrats
können auf einfachere Weise gegebenenfalls vorhandene Heizereinkopplungs-
und/oder Durchisolationsprobleme vermieden werden, und es lässt
sich eine höhere Funktionsgenauigkeit erreichen. Ein weiterer
Vorteil der erfindungsgemäßen Ausgestaltung besteht
in der Möglichkeit der Miniaturisierung des Sensorelements im
Vergleich zu bekannten Sensorelementen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ein
Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
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Es
zeigt:
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1 ein
Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Sensorelements und einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung.
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Ausführungsbeispiele
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In 1 ist
exemplarisch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Sensoranordnung 110 dargestellt, welche ein erfindungsgemäßes
Sensorelement 112 sowie eine mit diesem Sensorelement 112 verbundene
Steuerung 114 umfasst. Die Steue rung 114 kann
ganz oder teilweise, wie in 1 dargestellt,
als externe Steuerung ausgestaltet sein und über eine oder
mehrere Schnittstellen 116 mit dem Sensorelement 112 verbunden
sein. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuerung 114 jedoch
auch ganz oder teilweise in das Sensorelement 112 integriert
sein, beispielsweise in ein (in 1 nicht
dargestelltes) Gehäuse des Sensorelements 112 und/oder
einen Schichtaufbau des Sensorelements 112. Verschiedene
Ausgestaltungen sind möglich. Die Steuerung 114 kann
beispielsweise eine oder mehrere Stromquellen und/oder ein oder
mehrere Spannungsquellen und/oder eine oder mehrere Messvorrichtungen,
beispielsweise zur Strommessung und/oder zur Spannungsmessung, umfassen, welche
beispielsweise mit dem Sensorelement 112 über
entsprechende Zuleitungen verbunden sein können. Verschiedene
Ausgestaltungen sind möglich und für den Fachmann
aufgrund der nachfolgenden Beschreibung realisierbar.
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Das
Sensorelement 112 ist in einem Schichtaufbau ausgestaltet
und in 1 in einer Schnittdarstellung dargestellt. Exemplarisch
ist ein Sensorelement 112 gezeigt, welches zum Nachweis von
Stickoxiden in einem Messgasraum 118 ausgestaltet ist.
Das Sensorelement 112 umfasst eine erste Zelle 120,
welche im dargestellten Ausführungsbeispiel eine erste
Teilzelle 122 und eine zweite Teilzelle 124 umfasst.
Alternativ könnte die erste Zelle 120 jedoch auch
lediglich eine einzige Zelle umfassen oder mehr als zwei Teilzellen.
Die erste Teilzelle 122 und die zweite Teilzelle 124 umfassen
jeweils eine Außenpumpelektrode 126 bzw. 128,
welche jeweils als erste Elektrode 130 der ersten Zelle 120 wirken.
Diese Außenpumpelektrode 126, 128 sind
im dargestellten Ausführungsbeispiel direkt dem Messgasraum 118 ausgesetzt
und/oder mit dem Messgasraum 118 verbunden, so dass ein
Gasaustausch mit dem Messgasraum 118 möglich ist.
Weiterhin umfassen die Teilzellen 122, 124 jeweils
einen ersten Festelektrolyten 132. Dieser erste Festelektrolyt 132 umfasst dabei
im dargestellten Ausführungsbeispiel eine der ersten Teilzelle 122 zugeordnete
erste Festelektrolyteinlage 134 (in 1 auch mit
dem Buchstaben A bezeichnet) mit einem Festelek-trolytmaterial und eine
der zweiten Teilzelle 124 zugeordnete zweite Festelektrolyteinlage 136 (in 1 auch
mit dem Buchstaben B bezeichnet), ebenfalls mit einem Festelektrolytmaterial.
Auch eine Ausgestaltung mit mehreren ersten Festelektrolyteinlagen 134 und/oder mit
mehreren zweiten Festelektrolyteinlagen 136 und/oder mit
einem gemeinsamen für die Teilzellen 122, 124 ausgestalteten
ersten Festelektrolyten 132 ist denkbar. Die Festelektrolyteinlagen 134, 136 sind in Öffnungen 138 in
einem als Rahmen wirkenden Trägerelement 140 eingebracht,
was unten noch näher erläutert wird.
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Weiterhin
umfasst die erste Zelle 120 zweite Elektroden 142 in
Form einer der ersten Teilzelle 122 zugeordneten ersten
Innenpumpelektrode 144 und einer der zweiten Teilzelle 124 zugeordneten
zweiten Innenpumpelektrode 146. Die zweiten Elektroden 142 sind
in einem ersten Elektrodenhohlraum 148 angeordnet, welcher über
eine Verbindung 150 mit dem Messgasraum 118 mit
Gas und/oder einer Gaskomponente beaufschlagbar ist. Die Verbindung 150 umfasst
im dargestellten Ausführungsbeispiel ein Begrenzungselement 152,
welches ein Eindiffundieren und/oder ein Einströmen von
Gas aus dem Messgasraum 118 in den ersten Elektrodenhohlraum 148 oder umgekehrt
zumindest begrenzt. Beispielsweise kann es sich bei diesem Begrenzungselement 152 um
eine Diffusionsbarriere 154 in Form eines porösen
Materials handeln. Durch dieses Begrenzungselement 152 kann
beispielsweise Abgas und/oder anderes Gas aus dem Messgasraum 118 in
den ersten Elektrodenhohlraum 148 einströmen und/oder
eindiffundieren.
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Weiterhin
umfasst das Sensorelement 112 in dem dargestellten Ausführungsbeispiel
mindestens eine zweite Zelle 156. Diese zweite Zelle kann,
wie in dem dargestellten Ausführungsbeispiel, in derselben Schichtebene
angeordnet sein wie die erste Zelle 120, kann jedoch grundsätzlich
auch in einer anderen Schichtebene aufgenommen sein. Die zweite
Zelle 156 umfasst im dargestellten Ausführungsbeispiel eine
dritte Elektrode 158, welche als NO-Außenpumpelektrode 160 ausgestaltet
und/oder betrieben werden kann, und welche im dargestellten Ausführungsbeispiel
exemplarisch ebenfalls mit dem Messgasraum 118 in Verbindung
steht. Weiterhin umfasst die zweite Zelle 156 eine vierte
Elektrode 162, welche beispielsweise als NO-Innenpumpelektrode 164 ausgestaltet
und/oder betrieben werden kann und welche in einem zweiten Elektrodenhohlraum 166 angeordnet
ist. Der erste Elektrodenhohlraum 148 und der zweite Elektrodenhohlraum 166 sind über
ein Begrenzungselement 168 miteinander verbunden, welches
beispielsweise wiederum als Diffusionsbarriere 154 ausgestaltet
sein kann. Dabei stellen im dargestellten Ausführungsbeispiel
die beiden Elektrodenhohlräume 148, 166 Teilräume
ein und desselben größeren Hohlraums dar, welche über
das Begrenzungselement 168 voneinander getrennt sind, wobei jedoch
ein Einströmen und/oder Eindiffundieren von Gas und/oder
Gaskomponenten aus dem ersten Elektrodenhohlraum 148 in
den zweiten Elektrodenhohlraum 166 oder umgekehrt möglich
sein soll. Insbesondere kann ein Eindiffundieren und/oder Einströmen
von Stickoxiden, welche in 1 symbolisch
mit NO bezeichnet sind, aus dem ersten Elektrodenhohlraum 148 in
den zweiten Elektrodenhohlraum 166 oder umgekehrt ermöglicht
werden, jedoch durch das Begrenzungselement 168 verlangsamt oder
zumindest begrenzt werden.
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Weiterhin
weist die zweite Zelle 156, welche ebenfalls mehre Teilzellen
umfassen kann, mindestens einen die dritte Elektrode 158 und
die vierte Elektrode 162 verbindenden zweiten Festelektrolyten 170 auf,
welcher in diesem Ausführungsbeispiel wiederum als Festelektrolyteinlage 172 mit
einem Festelektrolytmaterial in einer Öffnung 138 in
dem als Rahmen wirkenden Trägerelement 140 ausgestaltet
ist. Die Festelektrolyteinlage 172 ist in 1 auch
mit dem Buchstaben C bezeichnet. Weiterhin umfasst das Sensorelement 112 in
dem dargestellten Ausführungsbeispiel eine Kontrollzelle 174,
welche in einer tieferen Schichtebene des Schichtaufbaus angeordnet
sein kann, beispielsweise unterhalb der Elektrodenhohlräume 148, 166.
Diese Kontrollzelle 174, welche ebenfalls wiederum mehrere
Teilzellen umfassen kann, und welche als Nernst-Zelle betrieben werden
kann, umfasst eine in dem ersten Elektrodenhohlraum 148 angeordnete
fünfte Elektrode 176 und eine in einem Referenzluftkanal 178 angeordnete sechste
Elektrode 180 sowie einen die fünfte Elektrode 176 und
die sechste Elektrode 180 verbindenden dritten Festelektrolyten 182.
Dieser dritte Festelektrolyt 182 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel
exemplarisch wiederum als Festelektrolyteinlage 184 mit
einem Festelektrolytmaterial ausgestaltet, welche in eine Öffnung 138 in
dem Trägerelement 140 eingebracht ist. Grundsätzlich
kann die Kontrollzelle 174 jedoch auch auf konventionelle
Weise hergestellt sein. Der dritte Festelektrolyt 182 ist
im dargestellten Ausführungsbeispiel mit dem Buchstaben
D bezeichnet. Die Steuerung 114 kann eingerichtet sein,
um die erste Zelle 120 und die zweite Zelle 156 als
Pumpzellen zu betreiben, wobei beispielsweise ein Pumpstrom dieser
Pumpzellen erfasst werden kann. Die Kontrollzelle 174 kann
beispielsweise als Nernst-Zelle betrieben werden, wobei eine, beispielsweise
durch die Partialdruckdifferenz zwischen dem ersten Elektrodenhohlraum 148 und
dem Referenzluftkanal 178 hinsichtlich eines Sauerstoffanteils
bedingte Nernst-Spannung dieser Kontrollzelle 174 erfasst
werden kann. Der Referenzluftkanal 178 kann beispielsweise
ganz oder teilweise ungefüllt ausgestaltet sein, kann jedoch
grundsätzlich auch ganz oder teilweise mit einem porösen,
gasdurchlässigen Material angefüllt sein, beispielsweise
porösem Aluminiumoxid. Auch der erste Elektrodenhohlraum 148 und/oder
der zweite Elektrodenhohlraum 166 können grundsätzlich
ganz oder teilweise ungefüllt ausgestaltet sein, können
jedoch auch ganz oder teilweise mit einem gasdurchlässigen,
porösen Material ausgefüllt sein.
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Das
Sensorelement 112 gemäß dem in 1 gezeigten
Ausführungsbeispiel ist in einem Schichtaufbau hergestellt.
Dabei umfasst das Trägerelement 140 beispielsweise
zwei, drei oder mehr Trägerfolien 186, welche
vorzugsweise aus einem Isolatormaterial, beispielsweise einem keramischen Isolatormaterial,
hergestellt sein können. insbesondere kann es sich dabei
um Aluminiumoxidfolien handeln, beispielsweise Al2O3-Folien. Dabei ist in 1 ein
Ausführungsbeispiel gezeigt, in welchem drei derartige
Trägerfolien 186 verwendet werden, welche beispielsweise
zunächst aufeinanderlaminiert werden können, um
dann einem oder mehreren Sinterschritten unterzogen werden zu können.
Die Öffnungen 138 können dabei beispielsweise
vor dem Laminieren in die Trägerfolien 186 eingestanzt,
eingeprägt, eingeschnitten oder auf sonstige Weise eingebracht
werden, so dass diese Öffnungen 138 Fenster in
dem Trägerelement 140, insbesondere in den Trägerfolien 186,
bilden. Bei dem in 1 gezeigten Schichtaufbau bildet
eine erste Trägerfolie 188 das Trägerelement 140 für
die erste Zeile 120 und die zweite Zelle 156,
eine zweite Trägerfolie 190 bildet das Trägerelement 140 für
die Elektrodenhohlräume 148, 166 und
die Kontrollzelle 174, und eine dritte Trägerfolie 192 bildet
das Trägerelement 140 für den Referenzluftkanal 178.
Weitere Trägerfolien 186 können vorgesehen
sein, beispielsweise für ein in 1 nicht
dargestelltes, beispielsweise unterhalb der dritten Trägerfolie 192 angeordnetes
Heizelement.
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Das
Trägerelement 140 weist vorzugsweise ein Trägermaterial
auf, welches hinsichtlich seiner mechanischen und/oder thermomechanischen
Eigenschaften und/oder seiner Isolationseigenschaften hinsichtlich
der Ionenleitung und/oder elektronischer Leitung bzw. seiner Isolation
optimiert sein kann. Insbesondere kann es sich dabei, wie oben dargestellt, um
Al2O3 handeln. Dementsprechend
können die Trägerfolien 186 beispielsweise
Al2O3-Keramikfolien gleicher
Materialzusammensetzung und vorzugsweise gleicher Schichtdicke umfassen.
Die erste Trägerfolie 188 kann dabei die vorzugsweise
eingestanzten Öffnungen 138 in Form von Fenstern
für die Festelektrolyten 132, 170 umfassen.
Die zweite Trägerfolie 190 kann beispielsweise
die Öffnung 138 in Form vorzugsweise eines eingestanzten
Fensters für den Festionenleiter in Form des dritten Festelektrolyten 182 umfassen.
Die Festelektrolytmaterialien können beispielsweise Scandium-,
Yttrium-, Cer- und/oder Kalzium-stabilisiertes Zirkondioxid umfassen,
beispielsweise in Form der Einlagen 134, 136, 172 und 184,
welche beispielsweise hinsichtlich ihrer ionenleitenden Eigenschaften
optimiert sein können. Nicht dargestellt in 1 sind
Elektrodenzuleitungen, eine oder mehrere optionale Durchkontaktierungen
(beispielsweise zur Kontaktierung der fünften Elektrode 176 und/oder
der sechsten Elektrode 180), welche vorzugsweise ebenfalls
innerhalb des Trägerelements 140 an geordnet sind,
sowie optional ein oder mehrere Heizelemente, beispielsweise in
Form eines oder mehrerer integrierter, siebgedruckter Platin-Heizer.
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Die
Funktionsweise der Sensoranordnung 110 soll im Folgenden
kurz erläutert werden. Für weitere optionale Ausführungen
kann grundsätzlich auf aus dem Stand der Technik bekannte
NOx-Abgassonden verwiesen werden. Durch das Begrenzungselement 152 diffundiert
Gas, beispielsweise Abgas, in den ersten Elektrodenhohlraum 148 ein.
Dieses Gas umfasst beispielsweise, wie in 1 angedeutet,
Sauerstoff (O2) und Stickoxide (in 1 allgemein
und ohne Beschränkung möglicher Oxidationsstufen
mit NO bezeichnet – es könnte auch die Bezeichnung
NOx verwendet werden). Dabei sind Sauerstoffatome in 1 symbolisch
mit ausgefüllten Kreisen dargestellt, wohingegen Stickstoffatome symbolisch
mit ungefüllten Kreisen bezeichnet sind. In dem ersten
Elektrodenhohlraum 148 wird mittels der ersten Zelle 120 sukzessive
eine Aufkonzentration des Stickoxid-Anteils vorgenommen. So wird
Sauerstoff zunächst über die erste Teilzelle 122 aus
dem ersten Elektrodenhohlraum 148 abgepumpt, so dass Stickoxide
zurückbleiben. Um eine Zersetzung der Stickoxide an der
zweiten Elektrode 142 zu verhindern, kann die katalytische
Eigenschaft dieser zweiten Elektrode 142 beispielsweise
durch eine gezielte Vergiftung verhindert oder zumindest vermindert
werden. Die Teilzellen 122, 124, wobei eine, zwei
oder mehrere derartiger Teilzellen vorgesehen sein können,
können eine Pumpkaskade bilden, wobei sich von Teilzelle
zu Teilzelle der Sauerstoffanteil im Gasgemisch verringern kann.
So kann beispielsweise unterhalb der zweiten Teilzelle 124 bereits
ein geringerer Sauerstoffanteil in dem Gasgemisch innerhalb des
ersten Elektrodenhohlraums 148 vorliegen als unterhalb
der ersten Teilzelle 122. Auf diese Weise kann eine Aufkonzentration
erfolgen. Mittels der zweiten Teilzelle 124 und gegebenenfalls
weiterer Teilzellen kann eine weitere Aufkonzentration erfolgen,
indem weiterer Sauerstoff aus dem ersten Elektrodenhohlraum 148 abgepumpt
wird. Der Sauerstoffanteil innerhalb des ersten Elektrodenhohlraums 148 und/oder
an einer oder mehreren Stellen innerhalb des ersten Elektrodenhohlraums 148 kann
beispielsweise mittels der mindestens einen Kontrollzelle 174,
wobei auch mehrere derartiger Kontrollzellen 174 an mehreren
Stellen vorgesehen sein können, überwacht und/oder
gesteuert und/oder geregelt werden.
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Nach
Aufkonzentration des Stickoxid-Anteils können Gas und/oder
Gaskomponenten aus dem ersten Elektrodenhohlraum 148 durch
das Begrenzungselement 168 in den zweiten Elektrodenhohlraum 166 gelangen.
Bei ausreichender Funktion der ersten Zelle 120 kann es
sich bei diesem in den zweiten Elektrodenhohlraum 166 gelangenden Gas
praktisch ausschließlich um Stickoxide handeln. An der vierten
Elektrode 162 werden diese Stickoxide, wie in 1 symbolisch
dargestellt, zersetzt, vorzugsweise katalytisch. Dabei kann Stickstoff
freigesetzt werden, welcher im zweiten Elektrodenhohlraum 166 verbleiben
oder auch aus diesem entweichen kann, beispielsweise durch eine
in 1 nicht dargestellte Öffnung. Bei der
Zersetzung gebildeter Sauerstoff kann hingegen an der vierten Elektrode 162 in
den zweiten Festelektrolyten 170 eingebaut und zur dritten
Elektrode 158 gepumpt werden. Der bei dieser Zersetzung
von Stickoxiden in Stickstoff und Sauerstoff und/oder in Sauerstoff
und Stickoxide geringerer Oxidationsstufe gebildete Pumpstrom durch
die zweite Zelle 156, welcher beispielsweise von der Steuerung 114 erfasst
werden kann, kann als Reduktionsstrom das eigentliche Messsignal
der Sensoranordnung 110 und/oder des Sensorelements 112 bilden.
Dieser Reduktionsstrom kann beispielsweise ein Maß für
einen Stickoxid-Anteil in dem Gas des Messgasraums 118 darstellen.
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Das
in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel stellt
lediglich ein mögliches Ausführungsbeispiel eines
elektrochemischen Abgassensors mit einem keramischen Sensorelement 112 mit
mindestens einer ersten Zelle 120 und mindestens einer zweiten
Zelle 156 dar. Beispielsweise kann es sich bei diesen Zellen
um Nernst- und/oder Pumpzellen handeln. Das Sensorelement 112 kann
aufgrund der Verwendung eines gemeinsamen Trägerelements 140 insbesondere
monolithisch ausgestaltet sein, insbesondere ganzheitlich aus einem
festigkeits- und elektrisch isolationsoptimierten keramischen Oxid gefertigt
werden. Durch die beschriebene Einlagentechnik mittels der Festelektrolyteinlagen,
die optimierte ionenleitende Eigenschaften aufweisen können,
lassen sich die Funktionen der einzelnen Komponenten des Sensorelements 112 getrennt
optimieren. Das Sensorelement 112 kann, wie oben beschrieben,
vorzugsweise aus mindestens drei einzelnen und bedruckbaren keramischen
Folien in Form der Trägerfolien 186 hergestellt
werden, welche insbesondere gleiche Zusammensetzung aufweisen können.
Beispielsweise können diese zusammenlaminiert und anschließend
einem oder mehreren Sinterprozessen unterzogen werden. Die Trägerfolien 186 können
beispielsweise Folien aus einem Aluminiumoxid mit einem Fremdphasenanteil
von weniger als 5% umfassen und/oder aus einem Aluminiumoxid mit
einem Glasphasenanteil von bis zu 50%. Die Öffnungen 138 können
insbesondere durch Stanzen erzeugt werden. Die Öffnungen 138 können
bei der Herstellung des Schichtaufbaus vor dem Einbringen der Festelektrolyteinlagen 134, 136, 172 und 184 eingebracht
werden. Die Dicke der Festelektrolyteinlagen kann beispielsweise
vor dem Sintern 250 bis 750 μm betragen und nach dem Sintern
50 bis 250 μm.
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Das
in 1 dargestellte elektrochemische Sensorelement 112 kann
beispielsweise, wie oben dargestellt, als NOx-Abgassonde eingesetzt
werden. Bei dem mehrzelligen Aufbau, bei welchem vorzugsweise eine,
zwei oder mehrere Pumpzellen vorgesehen sind und optional eine,
zwei oder mehr Nernst-Zellen, machen sich die oben beschriebenen Optimierungsvorteile
der Erfindung besonders günstig bemerkbar, da diese Vielzahl
von Zellen in der Regel eine Vielzahl von Elektrodenzuleitungen
erforderlich machen. Bei dieser Vielzahl von Elektrodenzuleitungen
und gegebenenfalls weiterhin mindestens einem Heizelement machen
sich die oben beschriebenen elektronischen Probleme, insbesondere
ein Übersprechen und/oder Einkoppeln, in herkömmlichen
Aufbauten besonders stark bemerkbar. Da im erfindungsgemäßen
Aufbau das Trägerelement 140 insbesondere hinsichtlich
seiner Isolationseigenschaften und/oder Festigkeitseigenschaften
optimiert werden kann, kann ein Übersprechen bzw. elektrisches
Einkoppeln in einem derartigen erfindungsgemäßen
Aufbau auch bei einer Vielzahl von Elektrodenzuleitungen und/oder
einer Mehrzahl von Durchkontaktierungen sicher gewährleistet
werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - Robert Bosch
GmbH: Sensoren im Kraftfahrzeug, 2. Ausgabe, April 2007, Seiten
154 bis 159 [0001]